(5 оценок, среднее: 4,80 из 5)
Загрузка...
Учебная работа. Проектирование фильтра ВЧ на коаксиальных линиях с характеристикой Баттерворта
Введение
Целью данного курсового проектирование фильтра ВЧ (Высокие частоты) на коаксиальных линиях с чертой Баттерворта со последующими параметрами согласно условию ТЗ:
частота среза 1 ГГц,
затухание в полосе заграждения не наименее 23 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений),
затухание в полосе прозрачности не наиболее 0,3 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений),
волновое сопротивление тракта 50 Ом,
поперечник наружного проводника 16 мм.
В разделе 2 курсового проекта делается лаконичный анализ устройств и узлов, решающих ту же задачку, что и разрабатываемый фильтр. В этом разделе делается обзор устройства данного типа, систематизация по принципу деяния, радиотехническим, электронным характеристикам, конструктивным и технологическим признакам. Делается выбор устройства, более удовлетворяющий условиям технического задания и экономическим требованиям.
В разделе 3 делается электронный и конструктивный расчет. Расчетная часть содержит: начальные данные для расчета; эскиз рассчитываемого изделия; расчет.
В разделе 4 описываем систему фильтра, его работы, обоснование и выбор материалов для производства узла. В данном разделе приводится пример конструктивного выполнения фильтра и его электронная схема.
В разделе 5происходит оценка надежности рассчитываемого устройства, и делаются выводы по результатам оценки.
В разделе 6 делается расчет допусков на изготовка проектируемого устройства.
В итоге проделанной работы делается заключение. Выводы по всем шагам проделанной работы.
Лаконичный анализ устройств либо узлов, решающих ту же задачку, что и разрабатываемое устройство либо узел
Фильтрующие цепи в спектре СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) могут предназначаться или для выделения сигналов в определенной полосе частот и угнетения сигналов в иной полосе частот, или для выделения либо угнетения каких-то типов волн в полосы передачи. 1-ые фильтры именуются частотными, вторые- фильтрами типов волн.
Ниже будут рассматриваться лишь частотные фильтры.
Частотные фильтры находят все наиболее обширное применение в технике СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) для действенной передачи сигналов в данной полосе частот ,в схемах умножителей и преобразователей частоты, для корректировки фазочастотных черт и согласования разных СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) устройств и т. п.
В технике СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) наибольшее распространение получили фильтры, работающие на отражение, т. е. составленные из реактивных частей. Безупречный фильтр такового типа владеет нулевым затуханием в данной полосе частот и нескончаемым затуханием вне данной для нас полосы. Полоса частот, в какой затухание фильтра равно нулю (бесконечности), именуется полосой пропускания (заграждения). По обоюдному расположению частот пропускания и заграждения фильтры делятся на последующие главные типы:
фильтр нижних частот (ФНЧ), имеющий полосу проникания 0и полосу заграждения <<;
фильтр верхних частот (ФВЧ), имеющий полосу пропускания < и полосу заграждения 0<
полосно-пропускающий, либо полосовой фильтр (ППФ), имеющий полосу пропускания и полосы заграждения <и <
полосно-заграждающий либо заграждающий фильтр (ПЗФ), имеющий полосу заграждения и полосы пропускания < и<. Граничные частоты и именуются частотами среза фильтра.
Фильтр с безупречными чертами не быть может на физическом уровне реализован, потому настоящие фильтры, кроме полосы пропускания и полосы заграждения, характеризуются еще определенной полосой перехода, при этом в полосе пропускания настоящего фильтра затухание не обязано превосходить данной величины Амин, в полосе заграждения не обязано быть наименее данной величины Аа, ширина полосы перехода обязана быть по способности малой. На практике почаще всего требуется, чтоб данные свойства фильтра сохранялись только в ограниченном спектре частот. Так, полоса заграждения ФНЧ не непременно обязана простираться до бесконечности, а, к примеру, лишь до частоты 4f. При таком ограничении задачка проектирования фильтров существенно упрощается.
Как правило, фильтры СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) не могут быть спроектированы на базе частей с сосредоточенными параметрами, а представляют или систему связанных резонаторов, или систему связанных отрезков линий передачи, или, в конце концов, передающую линию с временами изменяющимися параметрами либо временами нагруженную реактивностями.
Микрополосковые фильтры с очень плоской чертой либо с чебышевской.Индивидуальности их в том ,что при схожей неравномерности затухания в полосе пропускания и схожем числе частей фильтра полином Чебышева обеспечивает наибольшее затухание в полосе заграждения. Но очень плоские фильтры имеют наиболее линейную фазочастотную и наилучшую переходную свойства, хотя и содержат большее число частей. Потому такие фильтры находят преимущественное применение в широкополосных системах.
Полосовой фильтр из полуволновых разомкнутых резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями.
Рис. 1 — Полосовой фильтр из полуволновых разомкнутых резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями
Полосовой фильтр из полуволновых разомкнутых резонаторов с четвертьволновыми электромагнитными связями [1] является более распрастранёным представителем полосовых микрополосковых фильтров. Расчет фильтра относительно трудоемок, но дозволяет получать как фильтры с чебышевской чертой, так и с очень плоской.
Плюсы: Малые габаритные размеры, пропускаемая непрерывная мощность через тракт может достигать 50 Вт (зависимо от материала подложки) в микрополосковом устройстве. Стабильность черт при изменении температуры, высочайшая надежность и простота конструкции.
Недочеты: Некорректность расчета топологии фильтра, а как следует и получения различающихся от данных черт. Для исследования фильтра нужно применять спец программные продукты MicroWave Office.
Двухзвенный микрополосковый фильтр со шлейфными элементами
В данной конструкции [8] были реализованны двухзвенные микрополосковые секции на подложках из поликора (е=9.6), в каких резонаторы, имеющие форму гантельки, размещались вместе и кондуктивно подключались к 50-омным линиям передачи. Для роста крутизны склонов АЧХ рассматриваемого МПФ, любой резонатор содержал два нерегулярных режекторных шлейфа (рис. 2), которые на характеристике в совокупы давали четыре полюса затухания.
Рис. 2 — Двухзвенный микрополосковый фильтр со шлейфными элементами
Частоты полюсов просто настраиваются подгонкой размеров шлейфов. Если подбором размеров шлейфов свести частоты всех полюсов у низкочастотного склона полосы пропускания фильтра, то реализуется АЧХ, показанная на рис.3в. При настройке частот полюсов на правый склон полосы пропускания получится АЧХ, показанная на рис.3. При сведении по два полюса на любой склон, АЧХ воспринимает вид как на рис 3а. Численный анализ микрополосковой структуры проводился на одномерных моделях в квазистатическом приближении.
Рис 3 — АЧХ фильтров с разным положением полюсов затухания поблизости полосы пропускания. Сплошная линия — расчет, точки — експеримент
Из рисунка 3 видно не плохое согласие теоретического расчета фильтра с тестом, которое дозволяет создавать действенные системы для автоматического проектирования схожих фильтров. Для сопоставления с чертами остальных конструкций МПФ можно отметить, что прямоугольность АЧХ (рис.3а) у двухзвенного фильтра со шлейфами существенно выше чем у четырехзвенного на таковых же резонаторах, но без шлейфов.
Плюсы: Малые габаритные размеры. Возможность изменять АЧХ при изменении топологии фильтра, опосля производства.
Недочеты: Неполное совпадение экспериментальных и теоретических результатов черт фильтра .Для исследования фильтра нужно применять спец программные продукты MicroWave.
Обширное применение отыскали фильтры Бесселя, Баттерворта и Чебышева, отличающиеся крутизной наклона амплитудно-частотной свойства (АЧХ) сначала полосы задерживания и колебательностью переходного процесса при ступенчатом действии. Амплитудно-частотные свойства этих ФНЧ 4-ого порядка приведены на рис. 1.
Амплитудно-частотная черта фильтра Баттерворта имеет достаточно длиннющий горизонтальный участок и резко спадает за частотой среза. Переходная черта такового фильтра при ступенчатом входном сигнале имеет колебательный нрав. С повышением порядка фильтра колебания усиливаются.
Амплитудно-частотная черта фильтра Чебышева спадает наиболее круто за частотой среза. В полосе пропускания она, но, не однообразна, а имеет волнообразный нрав с неизменной амплитудой. При данном порядке фильтра наиболее резкому спаду амплитудно-частотной свойства за частотой среза соответствует бoльшая неравномерность в полосе пропускания. Колебания переходного процесса при ступенчатом входном действии посильнее, чем у фильтра Баттерворта.
Фильтр Бесселя владеет хорошей переходной чертой. Предпосылкой этого является пропорциональность фазового сдвига выходного сигнала фильтра частоте входного сигнала. При равном порядке спад амплитудно-частотной свойства фильтра Бесселя оказывается наиболее пологим по сопоставлению с фильтрами Чебышева и Баттерворта.
Рис. 4 — Амплитудно-частотные свойства фильтров 4-ого порядка. 2 — фильтр Бесселя; 3 — фильтр Баттерворта; 4 — фильтр Чебышева с неравномерностью 3 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений)
На практике более обширно используются два вида фильтров: фильтр с очень плоской чертой — фильтры Баттерворта, фильтры с чебышевской чертой.
Конструктивный расчет
Начальные данные:
частота среза 1 ГГц,
затухание в полосе заграждения не наименее 23 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений),
затухание в полосе прозрачности не наиболее 0,3 дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений),
волновое сопротивление тракта 50 Ом,
поперечник наружного проводника 16 мм.
задачка расчета.
нужно высчитать фильтра верхних частот с очень плоской чертой. Выполнен разрабатываемый фильтр ВЧ (Высокие частоты) на коаксиальных линиях с чертой Баттерворта.
Разработка конструкции.
Существует много способов расчета фильтров. Главными из их являются два способа: практический способ и общий способ — способ расчета фильтров по их рабочим чертам.
1-ый способ расчета предугадывает построение фильтра из определенных частей — четырехполюсников при помощи их каскадного соединения, другими словами лестничных фильтров. Составляющие фильтр четырехполюсники обязаны иметь однообразные частоты и однообразные сопротивления в точках сочленения, также согласованны с перегрузкой и генератором. Расчет обычный. При выполнении обозначенных требований неизменная передача фильтра равна сумме неизменных передач, передачи отдельных частей.
Но огромное число ограничений не дозволяет получить фильтры с хорошими частотными чертами, содержащих маленькое число частей.
2-ой способ — общий способ синтеза по рабочим характеристикам волен от недочетов первого и в истинное время получил наибольшее распространение. В качестве начальных данных задаются: вид функции рабочего затухания (очень плоская либо чебышевская), граничные частоты либо , , допустимые утраты в полосе прозрачности. .
Основой расчета являются фильтры-прототипы нижних частот. Фильтр-прототип нижних частот быть может реализован в одном из 2-ух вариантов схем, приведенных на рисунке.
Переход от обыденного фильтра нижних частот к фильтру — макету нижних частот осуществляется при помощи перехода от реальной частоты к нормализированной (изменение масштаба частоты)
,
где .
При таком выборе масштаба по оси частот граничная частота нормализованного фильтра постоянно равна 1. Величена внутреннего сопротивления генератора также нормируется к 1.
Схема фильтра-прототипа имеет вид
Рис. 5 — Вероятные варианты схем фильтра-прототипа
Обозначения имеют последующий смысл:
— индуктивность поочередной катушки и емкость параллельного конденсатора.
— сопротивление генератора , если , либо проводимость генератора , если ;
— сопротивление перегрузки , если , либо проводимость перегрузки , если .
При переходе к нормализированной частоте величины частей нормируются так, чтоб и . Приведенная схема фильтра-прототипа предугадывает нагрузку фильтра с правой и левой стороны на чисто активные перегрузки. Если перегрузки всеохватывающие, то их надуманные части врубаются в ближний к ним элемент фильтра. Переход от нормированных фильтров-прототипов к остальным значениям сопротивлений и реальной шкале частот осуществляется при помощи последующих преобразований частей цепи: для активных сопротивлений и проводимостей
либо ,
для індуктивностей
для ємкостей
.
Обычно значения характеристик фильтров прототипов приводятся в справочниках, к примеру такие таблицы есть в книжке [ ]. Требуется лишь задать число частей фильтра и для каждой из структур, приведенных на рисунке.
Фильтр верхних частот.
В этом случае для перехода к нормализованной частоте следует произвести преобразование (подмену частотной переменной)
.
Таковая подмена вероятна для четной функции. Функция вносимых утрат является четной относительно и
.
Подмена такового вида эквивалентна перемене местами начала координат и нескончаемо удаленной точки, также подмене положительной оси частот отрицательной. На рисунке показано такое преобразование
Рис. 6 — Фильтр верхних частот
Как видно из рисунка для получения следует принять .
При таком преобразовании приходим к обращенным схемам фильтра, в каких поочередными элементами являются конденсаторы, а параллельными индуктивности и для фильтра верхних частот, получаемого из фильтра-прототипа следует отыскивать индуктивности и емкости как
.
Эквивалентная схема фильтра верхних частот имеет вид, показанный на рисунках
Рис. 7
Для расчета соосной линий передачи воспользуемся методикой, предложенной в [1].Разрез соосной полосы показан на рис. 8:
Рис. 8 — структура соосной полосы
Число звеньев в фильтре Баттерворта:
округляем до наиблежайшего целого числа
принимаем равным 1 как и g4
Расположено на /
рассчитываем g характеристики для 3 звеньев
сопротивление перегрузки
частота в рад/с
Ом сопротивление полосы
Расчет ФВЧ.
Перейти от фильтра макета к фильтру верхних частот при помощи перехода от реальной частоты к нормализованной (конфигурацией масштаба частоты)[1].
емкость конденсатора
индуктивность фильтра
R2=8 радиус полосы передачи см. задание
отношение из которого выбирают линию передачи есть в книжках
R1=2.2222 радиус внутреннего проводника полосы передачи
диэлектрическая неизменная
диэлектрическая проницаемость диэлектрика в обкладках конденсатора
площафчдь обкладок конденсатора
рассотояние меж обкладками
D=0.99
бббе0
L=3 cm
длина индуктивного шлейфа
(м) длина отрезков полосы передачи
радиус индуктивного шлейфа
R11=0.00625
Выбор материалов корпуса и деталей
Перед выбором диэлектрического материала для определенного устройства разраб должен располагать последующими данными:
— техническими требованиями к устройству;
— критериями эксплуатации изделия;
— списком причин, воздействующих на материал;
— типами подвесных частей и способами их установки и монтажа платы.
СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) диэлектрические материалы делятся зависимо от природы хим базы на органические и неорганические.
Органические неполярные полимеры-фторопласт, целофан, полипропилен; полярные-полистирол, полифенил-епоксид и их сополимеры. Неорганические-ситаллы и разновидности керамики. Выбор материалов для СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) определяется последующим списком черт:
— способностью сохранять форму и линейные размеры в разных погодных критериях;
— чистотой обработки поверхности;
— допусками на размеры по толщине;
— составом;
— теплопроводимостью;
— электропроводностью;
— диэлектрической проницаемостью;
— тангенсом угла диэлектрических утрат.
Для устройства нужно обеспечить самую большую точность производства частей для меньших разбросов характеристик. Понятно, что увеличивая размеры частей и точность производства снижается. При уменьшении диэлектрической проницаемости растут габариты устройства, как следует и растут размеры и точность производства увеличивается.
Таблица 1 — характеристики диэлектриков
Наименование диэлектрика
Относительная диэлектрическая проницаемость е
Тангенс угла диэлектрических утрат tgд (на 10 ГГц)
Температурный коэффициент линейного расширения, 1/?С
Плотность, г/
Электронная крепкость, кВ/мм
Коэф. теплопроводимости, кал/(см·с·?С)
макс.
рабочая т-ра, ?С
целофан
2,3-2,4
4-5
—
0,95
40
—
110-125
полистирол
2,5-2,6
3-4
7
1,05
20
—
80-85
фторопласт-4
1,9-2,2
2-3
8-20
2,2
40
0,0006
300
поликор
9,8
0,2-0,5
57
3,96
50
0,06-0,09
М-7
8,65
2
57
2,83
50-59
0,024
брокерит 9
6,6
2-4
53
3,02
10
0,3
С-88-1
6,1
75
88
2,56
150
0,0014
СТ-38-1
7,25
2
38
2,9
112
0,0032
Избираем материалом диэлектриков целофан, потому что он имеет меньшее
Выбор материала корпуса
Конструктивно фильтр соосного типа размещается в железном корпусе, который обеспечивает механическую защиту устройства, сразу являясь наружным проводником отрезков соосной полосы. На входе и выходе фильтра нарезана резьба и имеется соединительное устройство для встраивания фильтра в линию. Индуктивные шлейфы припаяны к отрезкам центрального проводника соосной полосы. Конденсаторы выполнены склейкой диэлектриков в разрывы центрального проводника соосной полосы. [3]
Таблица 2 — характеристики металлов и сплавов
Заглавие сплава
Плотность, г/
Удельная проводимость, См/
Активная составляющая поверхностного сопротивления , Ом
Серебро
10,5
6,25
4,40/ л
Медь
8,9
5,72
4,45/ л
Золото
19,3
4,10
5,17/ л
Алюминий
2,7
3,57
5,90/ л
Латунь
8,3-8,9
2,62-1,57
8,70/ л
Никель
8,9
1,4
—
Палладий
12,2
0,925
—
Бронза
7,5-9,4
0,89
11,70/ л
Олово
7,3
0,87
—
Константан
—
0,21
24,8/ л
Главные требования к материалу корпуса это высочайшая механическая крепкость, малая электропроводнсть, влагозащищенность. Потому что латунь окисляется на холоде и при нагреве меньше, чем медь, механическая крепкость латуни выше чем у меди, электропроводность составляет 25% от электропроводности незапятанной меди, и что она применяется там, где требуется большая механическая крепкость, но не требуется высочайшей электропроводности, избираем материалом корпуса латунь.
Оценка надежности
Произведем оценку надежности. Интенсивность отказа устройства в целом луст определяется по последующей формуле:
,
где k1 — коэффициент, зависящий от действия механических причин;
k2 — коэффициент, зависящий от действия влажности и температуры;
k3 — коэффициент, зависящий от давления воздуха;
лэ — интенсивность отказа элемента схемы;
лпаек — интенсивность отказа паек;
m — количество паек.
k1 равен 1,35.
k2 равен 2 для последующих критерий: температура 20-25, относительная влажность до 98%.
k3 равен 1 для обычного атмосферного давления
Данные о интенсивностях отказов составных частей устройства и паек приведены в таблице 3.
Таблица 3
Наименование
л * 10-6 , 1/ч
Переход частотный
0,062
Пайка
0,03
Найдем
Среднее время выработки на отказ устройства в целом Tуст обусловятся по последующей формуле:
Вычислим среднее время выработки на отказ устройства по формуле:
Рассчитаем и построим график вероятности неотказной работы. Для этого воспользуемся формулой:
Подставим в эту формулу времени от 0 до 106 часов:
Рис. 9 — График вероятности неотказной работы полосового фильтра
фильтр допуск резонатор спектр
Рассчитаем
Произведем расчет, подставим известные величины:
.
В течении 7143 ч возможность неотказной работы будет составлять 0,998. Из всего выше перечисленного можно прийти к выводу, устройство владеет неплохой надежностью. Устройство будет работоспособным в течение рассчитанного времени при соблюдении критерий эксплуатации. Для устройств СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) неплохой надежностью будет являться от 5000 часов, другими словами разрабатываемое устройство удовлетворяет требованиям надежности.
Расчет допусков
Расчёт произведём для значения затухания полосы пропускания ФВЧ. Воспользуемся способом моментов [3]:
В согласовании с сиим способом допуск на выходной параметр определяют или применением формулы полного дифференциала, или разложением в ряд Тейлора аналитической зависимости выходного параметра от внутренних характеристик.
Данные для расчёта:
Если точность производства определяется квалитетом Н14, то имеем отличия,мм:
Тогда отклонение обусловится, дБ (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений):
Таковым образом мы получили допуск на величину затухания в полосе пропускания -0,032, другими словами (Децибел — логарифмическая единица уровней, затуханий и усилений), что соответствует требованиям, предъявляемым к СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) устройствам.
Заключение
Целью данной курсовой работы была разработка ФВЧ соосного типа. До этого всего, был произведен лаконичный анализ устройств решающих ту же задачку, что и разрабатываемое устройство. Из огромного количества вариантов построения фильтров был избран фильтр с очень плоской чертой, как более соответственный техническим условиям.
Была разработана система ФВЧ. Выбраны материал корпуса, материал диэлектриков и материал покрытия, как более надлежащие требованиям технического задания.
В процессе расчетов были определены геометрические размеры фильтра.Произведен расчет надежности устройства. Устройство владеет неплохой надежностью, на уровне современных устройств РЭА.
Все характеристики разработанного устройства соответствуют требованиям технических критерий. Из что можно прийти к выводу, что устройство спроектировано удовлетворительно.
Данное устройство отыщет применение и в широкой потребительской технике. А именно внедрение устройства будет оправданно для использования в таковых областях ,как телеретрансляционных станциях, мобильных базисных станциях . Применение изделия и для лабораторных работ тоже будет оправданно.
Перечень применяемой литературы
1. Гупта К., Радж Р., Чадха Р. Машинное проектирование СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) устройств. Москва: Радио и связь, 1987.-430с.
2. Иванов Б.П. Конструирование РТС. Методические указания. Ульяновск: УлГТУ, 1993.-50с.
3. Маттей Д. Л., Янг Л., Джонс Е.М.Т. Фильтры СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн), согласующие цепи и цепи связи, т.1. Москва: связь, 1971.-242с.
4. Фуско В. СВЧ (Микроволновое излучение, сверхвысокочастотное излучение — электромагнитное излучение, включающее в себя дециметровый, сантиметровый и миллиметровый диапазон радиоволн) цепи. анализ и автоматическое проектирование. Москва: Радио и связь, 1990.-288с.
5. Халяпин Д.Б. Коаксиальные и полосковые фильтры сверхвысоких частот. Москва: связь, 1969.-64с.
]]>